不变质量

✍ dations ◷ 2025-04-04 19:17:34 #狭义相对论,质量,能量与物理学,基本物理概念

不变质量(invariant mass)或称内秉质量(intrinsic mass)、固有质量(proper mass),亦常简称为质量,指的是一个物体或一个物体系统由总能量和动量构成的在所有参考系下都相同的一个洛仑兹不变量。当这个系统作为整体保持静止时,不变质量等于系统的总能量除以光速的平方,这也等于这个系统在一个与之相对静止的秤上称得的质量。如果系统由一个单一粒子组成,不变质量也称作这个粒子的静止质量。

由于一个孤立系统的质心总保持匀速直线运动,因此观察者总可以选择这样一个参考系,使系统在这一参考系中的总动量为零,即相对这个参考系为静止。这样的参考系称作质心系,这时系统的不变质量就等于系统的总能量除以光速的平方。这个于质心系下的总能量,可以被看作是系统在不同惯性系下可能被观测到所具有能量的“最小值”。

在多粒子系统的情形下,质心系中的粒子彼此之间可能会存在相对运动,并有可能存在一种或多种基本相互作用。这时粒子的动能和力场的势能会增大系统的总能量,使之大于所有粒子的静止质量之和,这部分能量也对系统的不变质量有贡献。

在粒子物理学中,不变质量是一个粒子的能量 E {\displaystyle E\,} 和动量 p {\displaystyle p\,} 的数学组合,在静止参考系中等于粒子的静止质量。不变质量在所有参考系中的值都是相同的(参见狭义相对论)。

或者采用自然单位,从而光速 c = 1 {\displaystyle c=1\,}

这个方程指出不变质量的值等于四维动量矢量 ( E , p ) {\displaystyle (E,\mathbf {p} )\,} 的模(长度),这里模的计算是根据相对论性的毕达哥拉斯定理,从而空间维度和时间维度具有相反的符号。这个矢量的模在四维时空中任意的洛伦兹变换(递升或旋转)操作下都保持不变,正如一个普通三维矢量的长度在三维空间中进行任意旋转变换后仍然保持不变。

由于在粒子衰变过程中,粒子系统的不变质量是由一系列能量动量等守恒量给出的,通过衰变产物的能量和动量所计算得到的不变质量等于衰变前粒子的质量。一个粒子系统的质量可由一个普遍公式给出:

其中

在两粒子碰撞(或两粒子的衰变)过程中,不变质量的平方在自然单位下为

一个粒子的静止能量 E 0 {\displaystyle E_{0}\,} 被定义为:

其中 c {\displaystyle c} 是真空中的光速。一般而言,只有能量的差值才有物理意义。因此定义一个静止能量能够使能量变化的衡量有一个绝对的基准。

定义静止能量的动机来自于狭义相对论,根据这一理论,一个物体的质量变化正比于其动能,即

这个关系引出了爱因斯坦著名的结论:能量和质量是同一现象的两种表现。定义上述的静止质量能够使质能等价的数学表达更为优雅,但不足之处是它将能量都用一个绝对的基准来量度的做法仍然显得有些随意。

相关

  • 脸部移植脸部移植,指通过医学手段置换部分或全部脸部的手术。全球首例部分脸部移植于2005年在法国实施。首例全脸移植则于2010年在西班牙完成。
  • 涿鹿之战涿鹿之战(涿:ㄓㄨㄛˊzhuō)是相传中国远古时代,有熊氏黄帝与神农氏炎帝两族联合,同蚩尤九黎族进行的一次大规模战争。大约五千年前中国父系氏族社会时期,兴起于今冀鲁豫交界地区
  • 固有免疫先天免疫系统(英语:Innate immunity)又称为非特异性免疫、固有免疫、非专一性防御,包括一系列的细胞及相关机制,可以以非特异性的方式抵御外来感染。先天免疫系统的细胞会非特异
  • 五重键五重键(英语:Quintuple Bond),是指有机化学中,原子之间有5对价电子组成的共价键。五重键很罕见,直到2005年才从一个二铬化合物中发现,仅能在含铬、钼、钨的化合物中发现。例如:
  • 雇用人员雇佣(英语:employment,意近:就业)是指二个伙伴之间的契约关系,其中一方为雇佣者(雇主、雇佣人),另一方为被雇佣者(雇员)。从法律意义来看,通过双方契约约定,“被雇佣者”为“雇佣者”工作
  • 拉普拉塔坐标:34°56′S 57°57′W / 34.933°S 57.950°W / -34.933; -57.950拉普拉塔(西班牙语:La Plata)位于阿根廷东部大西洋沿岸,是布宜诺斯艾利斯省的首府,人口574,369(2001年)。拉普
  • 神风连之乱神风连之乱,又称敬神党之乱,是明治时期的士族叛乱。明治维新初期,日本的治安主要是萨摩、长州、土佐等地的武士组成的官军负责,但随倒幕运动发展,明治政府意识到不能只靠未经系统
  • 柯林斯堡坐标:40°33′33″N 105°4′41″W / 40.55917°N 105.07806°W / 40.55917; -105.07806科林斯堡(英语:Fort Collins)是美国科罗拉多州拉里默尔县内的一座权力下放的城市,它位于
  • 参谋长联席会议参谋首长联席会议(英语:Joint Chiefs of Staff),是美国军队陆海空各军种指挥官组成的机构。其机能与英联邦国家的参谋长委员会和部分国家的参谋部相类似,主要职能是三军之间的协
  • 受绝种威胁受威胁物种(Threatened species)是任何有可能在不久的将来灭绝的物种(包括动物、植物、真菌),也是IUCN保护现状中对易危物种(VU)、濒危物种(EN)、极危物种(CR)的统称。所有此范围内的物